[发明专利]一种土壤与植被混合光谱测量方法及模拟系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤与植被混合光谱测量方法及模拟系统，属于生态环境监测技术领域。

背景技术

典型地物的光谱特征分析不仅是遥感理论研究的重要内容，而且也是遥感应用研究的重要依据。不同地物的光谱能够反映其特有的性质，多种地物的混合光谱则会呈现出特定的规律。植被与土壤是遥感领域中研究最为广泛的两种地物，对其混合光谱的研究既可以为探索混合像元分解方法提供理论上的支持，又有助于提高地物分布类型的监测精度。同时，混合地物光谱特征的研究也为各种地物参量反演提供重要的实验依据和理论支持。

现有的对地物波谱特性研究中，研究者更多地侧重于单类地物光谱的测试与研究，例如植被、土壤、岩石等，很多学者进行了光谱测试并建立了光谱库。而由于真实地物的复杂性，实际观测获取的绝大多数地物光谱都是由不同种地物以不同的比例，不同的空间位置组合而成的混合光谱。对于由不同种地物组成的混合光谱的测试与研究中，现有的研究主要是针对实际的混合地物进行测量，并进一步测量分析该种组分比例混合情况下的光谱特征，但现有研究只针对固定比例进行研究，无法进一步研究不同地物因在组分及空间分布上存在不同而导致的光谱变化规律，缺乏对组分比例定量可控的真实地物混合光谱的测量及研究。

由于测量条件的有限性，对于特定地物特定组分比例混合光谱的测量费时费力，研究者在测量的基础上提出了一系列不同组分的混合光谱模拟模型，主要有线性光谱合成法、非线性光谱合成法、匹配滤波法和经验系数法。其中，线性模型是最常用的混合光谱模拟模型，假定像元信息为各组分信息的线性合成，即每一个光谱波段中单一像元的反射值表示为它的端元组分(混合像元的各个分解组分)特征反射值与它们一定比例的线性组合。线性模型具有简单明了的特点，但是其忽略了地物组分的相互影响，与真实混合光谱存在一定差距，而其他光谱混合模型多存在输入参数多、计算难度大、应用范围小等问题。

此外，针对混合光谱的测量与研究中，缺乏不同地物组分的模拟系统，无法快速高效的获取各种组分比例的混合光谱。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种土壤与植被混合光谱测量方法及模拟系统，用于实现不同组分比例下的土壤与植被混合光谱的测量和模拟。该方法和系统利用真实地物比例调节，设计可定量控制的光谱观测实验以进行混合光谱研究。通过地物光谱仪接收不同地物组分的反射电磁能量，测量和记录不同组分比例的土壤与植被混合光谱。通过调节观测区中土壤和植被的比例和数量，获取纯植被、纯土壤光谱以及某些已知比例下的混合光谱。在前期实验基础上本发明提出了光谱混合模型。该光谱模型通过分析冠层上下表面与土壤表面实际反射率，模拟了不同植被覆盖度下形成的混合光谱。依据该光谱混合模型，本发明研制了模拟系统。该系统利用土壤光谱数据库与植被光谱数据库中测量的纯像元地物光谱特性，通过光谱混合模型模拟了不同植被覆盖率下的土壤植被混合光谱。

为了实现本发明的目的，采用的技术方案如下：

一种土壤与植被混合光谱测量方法，其步骤为：

1）选取待测类型的土壤和植被样本，分别将其分割为若干小块；

2）设置一观测区，作为模拟遥感影像中的一个像元；

3）利用地物光谱仪对放置于该观测区中的参考板进行测量，得到参考板的DN值；

4）按照设定的土壤植被比例，将分割的小块样本排列在该观测区内；然后采用该地物光谱仪对该观测区进行观测，获取当前土壤植被比例对应的混合像元光谱DN值；其中，所述混合像元光谱DN值包括纯土壤的DN值和纯植被的DN值；

5）根据参考板的DN值和混合像元光谱DN值计算不同土壤植被比例下，观测区的实际反射率R_{目标反射率}；

6）利用观测区的实际反射率R_{目标反射率}验证或改进所建的光谱混合模型，然后利用最终确定的光谱混合模型计算不同土壤植被混合比例的光谱。

进一步的，所述光谱混合模型为：R=Rc+Rs=p*λf+ps*p*λf*(1–λf+p*λf)/(1–ps*p*λf)+ps*(1–λf)；其中p=R1/(1+R1*R0)，ps=R0，Rc表示植被冠层上表面的实际反射率，Rs表示土壤的实际反射率，p表示土壤植被混合的像元中冠层的反射率，ps表示混合像元中土壤的反射率，λf表示植被在土壤植被混合的像元中所占组分比例即植被覆盖率；R1表示纯植被像元光谱的实际反射率值，R0表示纯土壤像元光谱的实际反射率值。